專利名稱：液體輸送裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用靜電力操作微小液滴的液體輸送裝置。
背景技術：
近年來，基于對環境問題的髙度關注和對高度醫療社會的期望 等，對能夠簡便地分析微量化學物質、生物物質的技術和裝置產生了
需求.相對這些需求，由于微化學分析系統(也稱為fiTAS(微全分 析系統)、芯片實驗室(Lab-On-Chip )等)相比以前的分析技術具 有筒便性、測定時間縮短等優點，所以，對其進行的研究很多。
微化學分析系統將試樣的混合、反應、分離等一連串的化學搮作 微型化，集成化到玻璃或塑料基片上。此前的微化學分析系統的研究 的主流是將作為試樣的液體按連續流體進行處理，但最近出于不需要 泵、閥、耗電少等原因，將液體作為小滴處理的研究引人注目(專利 文獻l-2、非專利文獻l-4)。
將液體作為小滴處理的一個方法為通常被稱為電漫潤的方法。電 浸潤為通過加電壓從而對液體在固體表面的浸潤進行控制的技術，這 些液滴的輸送原理在非專利文獻l、 2、專利文獻l中按電毛細管現象 或電浸潤現象進行說明。
M.G.Pollacfc等在非專利文獻l中考察了這樣的器件，該器件隔 開間隙地平行配置下部基片和下部基片，該下部基片在平面上具有多 個控制用電極，該上部基片在平面上具有接地電極，在該間隙中充滿 硅油，加入電解質的液滴，切換連接到多個控制用電極的開關，對控 制灘電^^的電位進行控制，從而以4OV~80V的外加電壓輸送存在于 充滿了硅油的基片間的電解液的液滴，此時，下部基片上的多個控制 用電極由電介質層(纈烯炔，厚700nm)覆蓋，其表面進一步由疏水
性的物質(特象隆(注冊商標)，厚200irni)覆蓋。另外，上部基片 上的接地電極由厚200nm的特氟隆(注冊商標)覆蓋，另外， M.G.Pollack等在專利文獻1中記載了這樣一種器件，該器件在同一 基片上具有接地電極和控制電極，在單面具有輸送機構。
另外，H.Moon等的器件為與非專利文獻l相同的構造，但填充 物不使用硅油，而是在空氣中榆送液滴.在H.Moon等的非專利文獻 2的報告中，電介質使用作為高電介質材料的BST (鈦酸鍶鋇)，從 而可按15V的外加電壓進行液滴的輸送。
M.G.Pollack、 H.Moon等的器件為朝一維方向移動的器件，而 S,ICFan等在非專利文獻3中記栽了 EWOD (介質上電浸潤)送液器 件的開發，該EWOD送液器件以使相互的電極成直角的方式組合具 有N根矩形電極的下部基片和具有M根矩形電極的上部基片，使液 滴移動到由上下的電極構成的NxM個格子點的位置。
將液滴作為小滴處理的一個方法，通過切換存在于液滴下方的電 極的電位，從而改變液滴表面的麥克斯韋應力分布，輸送液滴。
鷲津在非專利文獻4中，使用在平面上具有多個電極的器件，依 次切換電極的電位，從而成功地按400Vrms的外加電壓沿一維方向輸 送存在于器件上的液滴，此時，基片上的多個電極由電介質層(SC450 (注冊商標)，厚10jim)覆蓋，其表面進一步由疏水性的物質(特 氟隆(注冊商標))覆蓋。另外，鷲津在專利文獻2中還記栽了在器 件上設有疏水性表面的管路的構造，該器件在平面上具有多個電極。
專利文獻11US2004/0058450
專利文獻2j日本特開平10-267801號公報
非專利文獻1Applied Physics Letters, Vol.77 ， No.ll , pp.1725-1726
〖非 專 利 文獻2Journalof AppliedPhysics ，
非專利文獻3proc.MEMS2003,pp.694 697
[非專利文獻4j鼷EE Industry Applications Society, Annual
meeting, New Orleans, Louisiana, October 5-9，1997，"Electrical actuation of liquid droplet for microreactor applications"
當將使用上述方法的器件適用于化學分析裝置等時，在器件內實 現與使用者的目的和用途相應的各種各樣的化學反應進行測定變得重 要。即，自由地在二維方向輸送任意量的液體的通用性、按良好精度 輸送到目的位置的正確性、可混栽傳感器、反應器的多目的化變得重 要。關于通過電控制將液體作為小滴處理的方法，可認為存在以下那 樣的問題.
專利文獻l、 2、非專利文獻l、 2、 4記栽的器件由于為對各輸 送液體的位置分刺配置獨立的電極的構造，所以，隨著輸送的位置數 量的增加，電極的數量也增加，控制各電極的電位的配線、開關的數 量也增加。由于配線、開關的數量增加使得系統裝置的負擔增加，所 以，希望按更少的配線、開關數量輸送目的的液滴。
非專利文獻3記栽的器件雖然可以以N+M根電極和分別對應的 開關自由地將液滴榆送到上下電極構成的NxM個格子點的位置，但 需要在上下雙方的基片具有驅動所必要的電極，所以，難以將傳感器、 反應器混栽于基片上。
另一方面，在非專利文獻4中，由于在一平面上具有驅動所需要 的多個電極，所以，可在另一方的基片上設置傳感器、反應器，但未 考慮輸送一定液量的定量性、按良好的精度將輸送的液體輸送到決定 的位置使其停止的正確性。不能實現如以上那樣與傳感器、反應器的 混栽容易、可正確地定位的器件。
我們為了解決上述問題，考慮在一個平面上形成液滴輸送用的電 極，圖1為沿邊方向連接多個矩形電極231的液體輸送基片23的一部 分的模型圖，示出多個矩形電極231在基片平面上的位置關系。圖2 (1) 、 (2)示出在從沿邊方向連接多個矩形電極231的液體輸送基 片23中沿x軸方向逸接矩形電極231的笫一軸電極列2315 ~ 2320和 沿y方向連接矩形電極231的第二軸電極列2335 ~ 2340向一組笫 一軸 電極列和第二軸電極列施加電位差時的、多個矩形電極231的電位。
在困1中，液體輸送基片23在基片的表面上具有鋪滿于基片表 面上的多個矩形電極231，多個矩形電極231沿矩形電極231中的任 一個的邊方向即閨中的x方向或y方向連接。i殳沿x方向連接矩形電 極231的全部導線為第一軸連接導線232，設沿y方向連接的全部導 線為第二軸連接導線233,將由第一軸連接導線232沿x方向連接的 矩形電極231每一行看成一個電極列，稱為第一軸電極列2311 ~ 2314。 另外，將由第二軸連接導線233沿y方向連接的矩形電極231每一列 看成一個電極列，從圖中左起設為第二軸電極列2331 ~ 2334。第一軸 連接導線232位于構成第二軸電極列的矩形電極231的下層，第二軸 連接導線233位于構成第一軸電極列的矩形電極231的下層。第一軸 連接導線232與構成第二軸電極列的矩形電極231、第二軸連接導線 233與構成第一軸電極列的矩形電極由絕緣層進行電絕緣。
在圖2中，當將電位差施加到液體輸送基片23的第一軸電極 2317和第二軸電極2337時，兩個電極交叉的范圍241成為矩形電極 縱向排列3個的長方形，在縱向發生大梯度的電場。另外，當將電位 差施加到作為第二軸電極列2337的相鄰第二軸電極列的第二軸電極 列2338和第一軸電極2317時，兩個電極交叉的區域242成為沿橫向 排列了 3個矩形電極的長方形，在橫向發生大梯度的電場。即，沿邊 方向連接矩形電極231的液體輸送基片23通過施加電位差的第一軸電 極與第二軸電極的組合，使與電場的梯度相應的液滴的形狀變化增大。
發明內容
本發明的目的在于提供一種器件，該器件即使減少配線、開關的 數量，也容易與傳感器、反應器混栽，穗定地輸送液滴，進行正確的 定位。
本發明的液體輸送基片的一實施例具有基片、多個第1電極、多 個第1導錢、多個第2電極、多個第2導線、及絕緣層；該多個第l 電極i殳置于上述基片上，而且配置成第l軸方向的多個列；該多個第 1導線分則連接上迷多個第1電極中的、鄰接的2個上迷第1電極，
沿上述第l軸方向配置；該多個第2電極設置于上述基片上，而且配 置成與上述笫l軸方向相交的笫2軸方向的多個列；該多個第2導線 分別連接上述多個第2電極中的、鄰接的2個上述第2電極，沿上述 第2軸方向配置，而且與一個上述第l導線分別交叉；該絕緣層對上 述第l導線和上述第2導線進行絕緣； 一個上述笫l導線和一個上述 第2導線從實質上配置上述第1電極的面看，在各個上述第1電極和 上述第2電極不存在的區域交叉，上述絕緣層至少位于上述交叉的區 域。
另外，第2電極也可配里于由第l軸方向的、連續的兩個列上鄰 接地配置的4個笫1電極的重心構成的格子內。
另外，第1電極和第2電極以及第l導線和第2導線也可由具有 疏水性表面的電介質襲蓋。
多個第1電極和第2電極的形狀為多邊形，最好為偶數邊形，如 為四邊形則更理想。在第1電極和第2電極的形狀為四邊形的場合， 在第l軸方向配置第l頂點和與笫l頂點相對的第2頂點，在第2軸 方向配置第3頂點和與第3頂點相對的第4頂點。最容易理解的例子 為兩種不同顏色相間的方格花紋配置。
另外，考慮到液滴輸送效率，液滴與電極的靜電電容需要比元件 的靜電電容足夠大。笫1電極和笫2電極按面積lfui^以上lmn^以下 進行設計。
另外，在本發明的液體輸送方法中，也可具有改變多個第1電極 的電位的第1電極控制單元和改變多個第2電極的電位的第2電極控 制單元，由第1電極控制單元和笫2電極控制單元將電位差施加到至 少一組第1電極和笫2電極。此時，也可在一定時間后對施加了電位 差的至少一組第1電極和第2電極的電位進行切換。
另外，也可相對具有第1電極和第2電極的基片相對地實質上平 行地配置另一平面基片，使具有第1電極和第2電極的基片與平面基 片的間隔在100n鵬以上l孤m以下地設計。
另外，也可實質上平行地配置具有溫度調節器、傳感器、反應器
的基片，也可具有系統裝置、第1電極控制裝置、及第2電極控制裝 置；該系統裝置輸出用于來自溫度調節器、傳感器的輸出的解析和目 的液滴的輸送的信號；該笫1電極控制裝置根據系統裝置的信號改變 多個第1電極的電位；該第2電極控制裝置控制多個第2電極的電位。 按照本發明，在基片表面上二維地配置由電介質覆蓋的電極，對 沿第l軸或第2軸方向連接的各電極群將電位差施加到至少一組的笫 1軸方向的電極和第2軸方向的電極，從而可進行液滴的輸送、停止。 本發明的器件由于不需要在榆送液體的每一位置設置控制電位的開 關，所以，操作所需要的開關數減少，可減輕控制操作的系統裝置的 負擔。即使不在器件表面形成流路槽，也可按與使用者的目的相應的 路徑輸送器件上的液滴。另外，通過切換施加的電位，從而可修正輸 送的液滴的位置偏移。另外，由于不需要使用在上述器件的上部具有 液滴輸送所需要的電極的基片，所以，容易設置具有溫度調節器、傳 感器、反應器的基片。另外，此時通過改變液滴的輸送路徑，從而可 改變與溫度調節器、傳感器、反應器接觸的程序、時間，所以，可實 現可與多用途的目的對應的化學分析裝置。
圖l為沿邊方向連接矩形電極的液體輸送基片的模型躪。
圖2為沿邊方向連接矩形電極的液體輸送基片的移動狀況的說明圖。
圖3為示出液體輸送裝置的構成例的圖。
圖4為液體輸送基片的平面圖。
圖5為液體輸送基片的截面圖。
圖6為由液體輸送裝置輸送液體時的動作說明圖。
圖7為示出由液體輸送裝置施加電壓的方法的時序圖。
圖8為由液##送裝置分割液體時的動作說明圖。
圖9為由液^y輸送裝置分割液體時的動作說明圍。
圖IO為由液體輸送裝置分割液體時的動作說明圖。
圖11為液體輸送元件的制作程序的說明圖。
圖12為連接正六邊形電極的液體輸送基片的平面圖。
圖13為連接正八邊形電極的液體輸送基片的平面圖。
圖14為液體輸送基片的模型圖。
圖15為示出化學分析裝置的構成例的圖。
圖16為示出化學分析裝置的使用例的圖。
具體實施例方式
下面，參照附圃說明本發明實施形式。實施例II
圖3為示出本實施例的液體輸送裝置的構成例的圖。本實施例的 液體輸送裝置1由保持液滴15的液體輸送元件10、對施加到液體輸 送元件10的電壓進行控制的笫一軸電壓控制裝置16和第二軸電壓控 制裝置17、以及將用于控制的信號輸出到笫一軸電壓控制裝置16和 第二軸電壓控制裝置17的系統裝置19構成。
液體輸送元件IO通過由隔離件18形成間隙地配置上部基片12 和具有用于驅動的多個矩形電極131的液體輸送基片13而構成，在兩 個基片的間隙內保持輸送的液滴15。上部基片12與液體輸送基片13 最好實質上平行地配置。在圖中，液體輸送元件IO由用截面圖表現的 透視困表現隔離件18、上部基片13的一部分。
隔離件18使用厚lOjim ~ lOOOiim的電子設備用的雙面膠帶，該 雙面膠帶例如使用了聚酯膜的基材和丙烯酸系的粘接刑。為了進一步 減小厚度，例如可使用由光刻膠等感光性材料形成的隔離件，或由使 用Deep RIE (深度反應性離子腐蝕)等的半導體的制造工序在上部基 片12或液體輸送基片13設置臺階。
上部基片12使用在液滴15側具有上部基片疏水層121的玻璃。 作為用于上部基片12的其它材料，最好為平面度高的物質，為了觀察 液滴15的動作等，如需要透明性，可列舉出石英、PMMA(聚甲基 丙蜂酸甲酯、丙烯酸樹脂)。上部基片疏水層121由氣樹脂構成，作
為氟樹脂以外的疏水材料，可列舉出硅酮樹脂.這里的疏水性指水的
接觸角在90°以上。在本實施例中，為了說明液體的輸送，上部基片 12未構成反應器、傳感器，使用配置了反應器、傳感器等的上部基片 也可進行同樣地輸送，下面說明液體輸送基片13。
根據從系統裝置19輸出的信號，笫一軸電壓控制裝置16和第二 軸電壓控制裝置17切換笫一軸液體輸送用開關1611 ~ 1622和笫二軸 液體輸送開關1711 ~ 1722，將矩形電極群131的電狀態控制為接地、 由電源施加的電位、浮動中的一種，輸送液滴15。
圖4為示出用于構成液體輸送元件10的液體輸送基片13的構造 的、液體輸送基片13的整體平面困和液體輸送基片13的局部放大圖。 示出多個矩形電極131的基片平面上的位置關系。液體輸送基片13 具有鋪滿到J^片表面上的多個矩形電極131，多個矩形電極131沿矩
形電極131中的任一個的對角線方向即圖中的x方向或y方向連接。 電極為矩形，但也可為多邊形，特別是偶數邊形。在四邊形的場合， 沿第一軸方向配置笫l頂點和與上述第l頂點相對的第2頂點，在第 二軸方向配置第3頂點和與笫3頂點相對的第4頂點。將沿x方向連 接矩形電極131的全部導線設為第一軸連接導線132，將沿y方向連 接的全部導線設為第二軸連接導線133,將由第一軸連接導線132沿x 方向連接的矩形電極131每一行看成一個電極列，從圖中下起，稱為 第一軸電極列1311 ~ 1322。另外，將由第二軸連接導線133沿y方向 連接的矩形電極131每一列看成一個電極列，從圖中左設為第二軸電 極列1331 ~ 1342.第一軸連接導線132和第二軸連接導線133在矩形 電極131間的區域成為夾住絕緣膜的臺階構造。按照這樣的構成，排 除了從基片的上面觀看時的電極相互的重疊區域，而且使第一軸連接 導線和第二軸連接導線的重疊區域極小化，在X方向的電極列與y方 向的電極列間產生電容效果，可避免消耗電力。在本實施例中，第一 軸連接導錢132位于笫二軸連接導線133的下層地構成。第一軸連接 導線和第二軸連接導線從實質上配置了多個矩形電極的面觀看時，在
沿x方向連接的電極列群與沿y方向連接的電極列群的分別不存在的
區域交叉.絕緣腹至少位于交叉的區域的第一連接導線與第二軸連接 導線間地配置。
圖5為困4的下部基片13的A-A'截面和B-B'截面的截面閨，特 別是示出在第一軸連接導線132與第二軸連接導線133的交叉區域的 構造。第一軸連接導線132由下層導線1359和插銷1357構成。液體 輸送基片13從下層起由基礎基片1351、底面絕緣層1352、電極列間 絕緣層1353、下層導線1359、插銷1357、第二軸連接導線133、矩形 電極131、電介質層1354、液體輸送基片上的疏水層1355構造。在笫 一軸連接導線132與笫二軸連接導線133的交叉的區域，由于在第一 軸連接導線132與第二軸連接導線133間存在電極列間絕緣層1353， 所以，兩個電極列電絕緣，
基礎基片1》51的材料使用硅，底面絕緣層1352、電極間絕緣層 1353使用氣化硅，矩形電極131、第一軸連接導線132、第二軸連接 導線133使用鴒，電介質層1354使用厚75nm的氮化硅，液體輸送基 片上的疏水層1355使用象系樹脂，作為用于基礎基片1351的其它材 料，在為了液滴15的動作觀察等而重視透明性的場合，可列舉出玻璃、 石英。作為用于底面絕緣層1352、電極間絕緣層1353的其它材料， 作為絕緣性高的物質，可列舉出氮化硅等。在將玻璃、石英等絕緣體 用于基礎基片1351的場合，底面絕緣層1352也可沒有。作為用于矩 形電極131、第一軸連接導線132、第二軸連接導線133的其它材料， 可列舉出鋁、金、鉑等金屬材料，如重視透明性，則可列舉出ITO(銦 錫氣化物)。作為用于電介質層1354的其它材料，最好為高電介質材 料，可列舉出氧化硅、氣化鋁、氧化鉭、BST(鈦酸鍶鋇)、氧化鋯、 氧化鉿、氧化鋁、氧化鈦、氧化鑭等金屬氣化物、金屬氮化物、鋁酸 鉿(HfAlO)等、以及組合這些材料的絕緣體等。作為液體輸送基片 上的疏水層1355的其它材料，可列舉出硅酮樹脂。這里的疏水性指水 的##角在900以上。
圖6為液滴1S的輸送時的液體輸送裝置1的動作說明圖。使用 圖6說明將液滴1S輸逸到目的位置141的工序。第一軸液體輸送用開
關1611 ~ 1622、第二軸液體輸送用開關1711 ~ 1722的動作根據從系 統裝置19輸出的信號由笫一軸電壓控制裝置16和笫二軸電壓控制裝 置17控制。
在液滴15的輸送開始之前，根據第一軸電極列1311 ~ 1322和第 二軸電極列1331 ~ 1342是否成為浮動狀態，或使液滴15停止的目的， 笫一軸電極列1313、 1314成為設定電位Vp笫二軸電極列1333、 1334 成為設定電位V2，余下的電極列成為浮動狀態(其中Vi〉V2)。此 時，液滴15的一部分通過電介質層1354接觸第一軸電極列1315，并 且接觸第二軸電極列1334、 1335。
然后，切換笫一軸液體輸送用開關1615、 1616和第二軸液體輸 送用開關1713、 1714,以使通過目的位置141的第一軸電極列1315、 1316的電位成為設定電位Vp使通過目的位置141的第二軸電極列 1333、 1334的電位成為設定電位V2。例如，當電介質層使用厚100nm 的氮化硅時，設V尸15， V2==-15。在目的位置141中，第一軸電極列 1315、 1316和第二軸電極列1333、 1334交叉。在該電極列間，通過 液滴15產生電位差，表面的表觀浸潤性由電浸潤增加，所以，液滴 15移動到目的位置141。圍中，對成為電位Vi的狀態的第一軸電極列 1315、 1316進行縱線的影線處理，對成為電位V2的狀態的第二軸電 極列1333、 1334進行橫線的影線處理，以與其它電極列形成區別。此 時，即使第一軸電極列1315、 1316為電位V2，第二電極列1333、 1334 為電位V15液滴15也移動到目的位置141。即，在電位設定為VJ或 V2)的第一軸電極列和電位設為V2 (或Vj的第二軸電極列鄰接的 區域，近旁的液滴15移動，
從12行的第一軸電極列1311 ~ 1322和12列的笫二軸電極列 1331 ~ 1342各選擇二列的第一軸電極列和笫二軸電極列的選捧數為 121,即，通過組合12個第一軸液體輸送用開關1611~ 1622和12個 第二軸液體輸送開關1711 ~ 1722，從而可將液滴15輸送到液體輸送 基片13上的121個部位。
另外，改變同時施加電位差的第一軸電極列和笫二軸電極列的根數，可改變施加電位差的第一軸電極列和第二軸電極列的交叉的區域 的有效面積。關于液滴與區域的面積的關系，使區域的有效面積比輸
送的液滴與液體輸送基片13的接觸面積少。液滴15的量等于液滴與 液體輸送基片13的接觸面積和上部基片12 (圖3)與液體輸送基片 13的間隔的積，所以，通過改變施加電位差的笫一軸電極列和第二軸 電極列的根數，從而不管量的大小如何都可輸送液滴15。
另外，由于液體輸送元件IO在液體輸送基片13具有液體所需要 的所有電極，所以，也可作為不使用上部基片12、隔離件18的開放 型的液體輸送元件使用。
除了上述方法外，通過改進電壓的施加方法，可提高液滴的輸送力。
圖7為按時序困示出用于提高液滴15的輸送力的電壓施加方法 的圖。當要將液滴15輸送到目的位置141時，由第一軸電壓控制裝置 16或第二軸電壓控制裝置17,使通過輸送前的液滴15的位置的笫一 軸電極列1313、 1314、通過目的位置141的第一軸電極列1315、 1316、 通過目的位置141和輸送前的液滴15的位置的第二軸電極列1333、 1334成為電位Vi的狀態181、浮動的狀態182、電位V2的狀態183 中的任一種。(a)、 (b)、 (c)按時間系列分別表示通過輸送前的 液滴15的位置的第一軸電極列1313、 1314的電位狀態、第二軸電極 列1333、 1334的電位狀態、笫一軸電極列1315、 1316的電位狀態。
在液滴15的輸送前，按照使液滴15靜止的目的，對笫一軸電極 列1313、 1314、第二軸電極列1333、 1334,使得當一方的電極列為
Vi時另一方的電極列為V2地周期反復。在電位從Vi切換到V2(或從
V2切換到VJ的期間，雙方的電極列都經過浮動的狀態。也可在液滴 15的位置穩定時停止反復。另外，雖然液滴與電極形狀產生偏移，但 也可使雙方的電極列為浮動狀態。
當要將液滴1S輸送到目的位置141時，成為浮動狀態地切換笫 一軸電極列1313、 1314，同時，相對第一軸電極列1315、 1316和第 二軸電極列1333、 1334，當一方的電極列的電位為Vi時，使另一方
的電極列的電位成為V2地周期性反復切換。從切換的時刻開始液滴
15向目的位置141的輸送。在電位從Vi切換到V2 (或從V2切換到 VJ期間，雙方的電極列都經過浮動的狀態。電極列的電位的反復周 期為從l毫秒到l秒間。
選捧的笫一軸電極列和笫二軸電極列成為浮動狀態，當表面的表 觀浸潤性恢復時，產生使液滴的形狀復原的恢復力。另外，當成為相 反的電位狀態時，由在液滴15下面感應的電荷和雙方的電極列產生排 斥力。該兩個產生的力成為液滴的榆送力，可進一步提高液滴15的輸 送力。第一軸電壓控制裝置和第二軸電壓控制裝置也可分別施加相反 相位的電壓，按預定的間隔切換電壓的正負。
另外，按照該電壓的施加方法，當輸送液滴15時，即使在液滴 15從目的位置稍偏離的場合，也可修正液滴的位置。
圖8 ~圖10為將液滴15分割成兩個液滴時的液體輸送裝置1的 動作說明圖。示出笫一軸液體輸送用開關1611 ~ 1622、第二軸液體輸 送開關1711 ~ 1722的狀態和各動作的液滴15的特性。
下面，使用困8~圖IO說明將液滴15分割成兩個液滴151和152 的工序。第一軸液體輸送用開關1611 ~ 1622和第二軸液體輸送開關 1711~ 1722的動作根據從系統裝置19輸出的信號，由第一軸電壓控 制裝置16和第二軸電壓控制裝置17控制。
圖8示出液滴15的分割前的狀態。在該狀態下，第一軸液體輸 送用開關1611 ~ 1622和第二軸液體輸送開關1711 ~ 1722使對應的第 一軸電極列1311 ~ 1322和第二軸電極列1331 ~ 1342全部成為浮動狀 態。另外，在該狀態下，雖然可為浮動的狀態，但也可對選擇的笫一 軸電極列和第二軸電極列施加電位V,和V2，使得對液滴存在的區域 施加電位差。
圖9示出液滴15的分割途中過程的液滴15的形狀和笫一軸液體 輸邋用開關1611 ~ 1622、第二軸液體輸送開關1711 ~ 1722的狀態。 此時使笫一軸電極列131S、 1316成為電位V，(或V2)的狀態、第二 軸電極列1334、 1335、 1338、 1339成為電位V2 (或^ )地切換第一
軸液體輸送用開關1616、 1617和第二軸液體輸送開關1714、 1715、
1718、 1719。即，在笫一軸方向使至少包含1個電極列的1個列群成 為電位施加的狀態，并在笫2軸方向使至少分別包含1個電極列的、 至少2個列群成為電壓施加狀態。在這里，當列群包含多個電極列時， 由相互鄰接的電極列構成，從電位Vi的第一軸電極列1315、 1316和 電位V2的第二軸電極列1334、 1335、 1338、 1339相鄰的區域的表面， 液滴15在相反的方向受到驅動力而被拉離。
圖10示出將液滴15分割成兩個液滴151與152時的第一軸液體 輸送用開關1611 ~ 1622、第二軸液體輸送開關1711 ~ 1722的狀態。 此時使第一軸電極列1315、 1316成為電位^ (或V2)的狀態、第二 軸電極列1333、 1334、 1339、 1340成為電位V2 (或Vt)地切換第一 軸液體輸送用開關1616、 1617和第二軸液體輸送開關1713、 1714、
1719、 1720。即，保持在第一軸方向上成為電位施加狀態的、包含至 少1個電極列的1個列群的位置，同時，使在第二軸方向成為電壓施 加狀態的、分別包舍至少1個電極列的、至少2個列群的位置朝分別 離開的方向改變。液滴15從電位Vi的第一軸電極列1315、 1316與電 位V2的第二軸電極列1333、 1334、 1339、 1340相鄰的區域的表面在 相反方向受到驅動力.通過進一步受到拉離，從而可按分割成液滴151 與液滴152的狀態保持液滴15。
另一方面，按與上迷相反的程序，對兩個液滴151和152，朝相 對的方向施加驅動力，從而可將兩個液滴匯合成一個液滴。
圖ll為示出液體輸送基片13的制作方法的工序截面困。截面為 圖4的A-A'截面。
(l)對基礎基片(硅)1351施加熱氣化處理，在表面形成作為 底面絕緣層1352的厚3,1iBi的硅氧化膜層。
(2 )成為厚20iiiii/150iiiii地由化學氣相沉積法沉積氮化鈥/鵠層 作為導電體層13鉍，該導電體層1356為用于形成作為第一軸連接導 線132的一部分的下層導線1359。
(3 )由光刻形成困形，腐蝕導電體層1356，形成下層導線1359。
(4) 作為電極間絕緣層1353，在此沉積硅氧化膜層。
(5) 為了形成插銷1322用的貫通孔，進行光刻和腐蝕。接著， 由化學氣相沉積法沉積氮化鈦/鵠層，進行反復腐蝕，形成插銷1322。
(6 )作為用于矩形電極131和第二軸連接導線133的導電體層 1358，成為厚20nm/150iim地由化學氣相沉積法沉積氮化鈥/鵠層。
(7)由光刻形成困形，腐蝕導電體層1358,形成矩形電極131 和第二軸連接導線133。
(8 )作為電介質層1354，成為厚75nm地由化學氣相沉積法沉 積氮化硅.為了連接外部電源與矩形電極131的配線部位，由光刻形 成圖形后，由腐蝕去除襲蓋配線部位的電介質層1354。
(9)旋轉涂覆作為疏水層1355使用的氟樹脂。
在本方法中，進行反復腐蝕以形成插銷1322,從而進行金屬膜 的嵌入，但也可刪除該工序，同時形成矩形電極131、第二軸連接導 線133地進行插銷1322的形成。
圖12為示出將液體輸送基片13的矩形電極131置換成正六邊形 電極331的液體輸送基片33的模型圖，圖13為將液體輸送基片13 的矩形電極131置換成正八邊形電極431的液體輸送基片43的模型 圖。在沿對角線方向連接矩形電極131的液體輸送基片13中，構成笫 二軸電極列的一個矩形電極配置到以連續的二列第一軸電極列上的鄰 接4個矩形電極的重心作為頂點的格子內部位置。
分別圖中x軸方向上連接的電極為了區別進行了影線處理.分別 使電極重心的位置與圖3記載的液體輸送基片13的矩形電極131的重 心位置一致地配置。
圖14為液體輸送基片13的局部模型困，用于根據第一 軸連接導 線132和笫二軸連接導線133的寬度d估算矩形電極131的一邊長度 D (其中，設D〉d)。
設湣圍中x方向逸接錄形電極131的全部導線為第一輛連接導線 132，設湣困中y方向逸接的全部導線為第二軸連接導線133.將由第 一軸連接導線132沿x方向連接的矩形電極131每一行看成一個電極
列，稱為第一軸電極列1323 ~ 1324。另外，將由第二軸連接導線133 沿y方向連接的矩形電極131每一列看成一個電極列，稱為第二軸電 極列1343~ 1344,困中，對構成第一軸電極列1323~ 1324的矩形電 極131和第一軸連接導線132進行影線處理，第一軸連接導線132與 第二軸連接導線133交叉的區域1361用虛線繪出位于下層的連接導 線。
在笫一軸連接導線132與第二軸連接導線133交叉的區域1361， 兩個連接導線夾住電極間電介層1353 (圖5),構成電容(以下稱配 線間電容)。設電極間電介層1353 (圖5)的介電常數為￡，厚為h, 則第一軸連接導線132與笫二軸連接導線133交叉的區域每一個的電 容為《i2/h。
另外，當液滴15通過電介質層1354接觸于矩形電極131時，構 成隔著液滴的矩形電極131間的電容(以下稱電極間電容)。
越是電極間電容大、配線間電容小，則可按越低的電位差輸送液 滴。設配線間電容與矩形電極間電容的比大于1: 100， s^e', h^H， d>100nm，則D〉ljim。另外，如設電極列的數量為N，則矩形電極 群的總面積S大體成為2N2D2，所以，如設N< 1000、 S< 100xl00cm2， 則D〈lmm。另外，矩形電極131的面積D2的范圍成為l|im2<D2< lmm2。在圖12的六邊形電極331那樣的、矩形電極以外的形狀的電 極中，最好使電極的面積在上述范圍內地設計。
圖15為使用液體輸送基片13和組合了傳感器*反應器基片52的 化學反應分析元件50的化學反應分析裝置5的構成圖。在困15中， 化學反應分析元件50按展開圖表現，但在使用時，液體輸送基片13 與化學反應分析元件50由隔離件18形成間隙地配置.液體輸送基片 13和化學反應分析元件50最好實質上平行配置。化學反應分析裝置5 由第一軸電壓控制裝置16和第二軸電壓控制裝置17以及系統裝置59 構成；該第一軸電壓控制裝置16和第二軸電壓控制裝置17用于控制 施加于液體輸送基片13的電壓；該系統裝置59將用于控制的倌號輸 出到笫一軸電壓控制裝置16和笫二軸電壓控制裝置17，對由傳感
器*反應器基片榆出的信號進行解析。
化學反應分析元件50由隔離件18形成間隙地對液體輸送基片 13和傳感器*反應器基片52進行平衡配置而構成，保持輸送到間隙內 的液滴251 ~ 254。
傳感器*反應器基片52具有調整液滴551 ~ 554的溫度的濕度調 整部521、 522，配置于溫度調整部521、 522的中央部、用于測定液 滴的溫度的溫度計523、 524，檢測液滴中的特定分子、離子的傳感器 525，及帶有用于促進液滴中的特定分子、離子的化學反應的催化劑的 反應器526。
根據從系統裝置59輸出的信號，笫一軸電壓控制裝置16和第二 軸電壓控制裝置17切換笫一軸液體輸送用開關1610 ~ 1621和笫二軸 液體輸送開關1710 ~ 1721，將矩形電極131的電狀態控制為接地、由 電源施加的電位、及浮動中的一個，輸送液滴551~522,系統裝置59 除了液滴的輸送控制外，還進行溫度調整部521、 522的控制、溫度計 523、 524、傳感器525的輸出信號的處理。
圖16為用于示出利用化學反應分析元件20的化學分析的一例 的、液滴251~254的輸送路徑圖。
沿路徑228輸送液滴251 ~ 252。路徑228在使液滴2S1 ~ 252合 并成一個液滴后，輸送到溫度調節器221，進行加熱或冷卻。此時的 液滴的溫度由溫度傳感器223進行監視(溫度調整工序)。然后，輸 送到反應器226，使反應器的化學物質或生物物質與液滴中的物質進 行反應(化學反應工序)。然后，輸送到溫度調節器222，進行加熱 或冷卻。此時的液滴的溫度由溫度傳感器224進行監視(溫度調整工 序)。最后，輸送到傳感器225，監視包含于液滴中的化學物質或生 物物質的量(分析工序)。
液滴251 ~ 254的輸送路徑可在二維面內自由選擇。通過相應于 目的改究輸逸路徑，從而可從液滴的混合、分割的基本操作，相應于 使用者的目的，組會由溫波調節器221、 222和溫度傳感器223、 224 進行的溫度調整工序、利用反應器226、 227的化學反應工序、及利用
傳感器225的分析工序。另外，改變液體的輸送路徑，可控制利用傳 感器的檢測、利用溫度調節器的溫度檢測、及利用反應器的反應的程 序。
權利要求
1.一種液體輸送基片，具有基片、多個第1電極、多個第1導線、多個第2電極、多個第2導線、及絕緣層；該多個第1電極設置于上述基片上，而且配置成第1軸方向的多個列；該多個第1導線分別連接上述多個第1電極中的、鄰接的2個上述第1電極，沿上述第1軸方向配置；該多個第2電極設置于上述基片上，而且配置成與上述第1軸方向相交的第2軸方向的多個列；該多個第2導線分別連接上述多個第2電極中的、鄰接的2個上述第2電極，沿上述第2軸方向配置，而且與一個上述第1導線分別交叉；該絕緣層對上述第1導線和上述第2導線進行絕緣；從實質上配置有上述第1電極的面看，一個上述第1導線和一個上述第2導線在各個上述第1電極和上述第2電極不存在的區域交叉，上述絕緣層至少位于上述交叉的區域。
2. 根據權利要求l所述的液體輸送基片，其特征在于上述第 2電極配置于由在上述第l軸方向的、連續的兩個列上鄰接地配置的4 個第1電極的重心構成的格子內。
3. 根據權利要求l所述的液體輸送基片，其特征在于還具有 從上述基片觀看配置于上迷第1電極、上述第2電極、上述第1導線、 上述第2導線上的電介質層，上述電介質層材料具有疏水性表面。
4. 根據權利要求l所迷的液體輸送基片，其特征在于上述第 1電極和上述第2電極分別為多邊形。
5. 根據權利要求l所述的液體輸送基片，其特征在于上述第 1電極和上述第2電極分騸為鋦數邊形。
6. 裉據權辦要求l所述的液體輸送基片，其特征在于上述第 1電極和上述第2電極分別為四邊形，在上迷第1軸方向配置第1頂 點和與上迷第l頂點相對的第2頂點，在上述第2軸方向配置第3頂 點和與上述笫3頂點相對的第4頂點，
7. 根據權利要求l所述的液體輸送基片，其特征在于還具有 控制對上述多個第1電極的電壓施加的第1電壓控制單元和控制對上 述多個第2電極的電壓施加的第2電壓控制單元，上述第1電壓控制 單元和上述第2電壓控制單元分別控制施加電壓的上述列的數量。
8. 根據權利要求7所述的液體輸送基片，其特征在于上述第 1電壓控制單元在上述笫1軸方向對包含至少1個上述列的1個列群 施加電位，上述第2電壓控制單元在上述第2軸方向對分別至少包含 1個上述列的2個列群施加電壓。
9. 根據權利要求1所述的液體輸送基片，其特征在于上述第 1電極或上述第2電極的面積在lpim2以上lmiB^以下。
10. 根據權利要求l所述的液體榆送基片，其特征在于相對上 迷液體輸送基片以100nm以上且lmm以下的間隔平行配置平面基片。
11. 一種液體輸送裝置，具有基片、多個第1電極、多個第1 導線、多個第2電極、多個第2導線、絕緣層、第l電壓施加控制單 元、及第2電壓施加控制單元；該多個第1電極"i史置于上述基片上，而且配置成第l軸方向的多個列；該多個第l導線分別連接上述多個第1電極中的、鄰接的2個上 述第1電極，沿上迷第1軸方向配置；該多個笫2電極設置于上述基片上，而且配置成與上述笫1軸方 向相交的第2軸方向的多個列；該多個第2導線分別連接上述多個第2電極中的、鄰接的2個上 述第2電極，沿上述笫2軸方向配置，而且與一個上述第l導線分別交叉；該綣緣層對上迷第1導線和上迷笫2導線進行絕緣；該第1電壓施加控制單元控制施加于上述笫1電極的電壓；該第2電壓施加控制單元控制施加于上述第2電極的電壓； 從實質上配置上述笫1電極的面看，一個上述第l導線和一個上述第2導線在各個上述笫1電極和上述第2電極不存在的區域交叉， 上述絕緣層至少位于上述交叉的區域，上述第1電壓施加控制單元和 上述第2電壓控制單元在上述第1電極與上述第2電極間施加電位差。
12. 根據權利要求11所述的液體輸送裝置，其特征在于上述 第1電壓施加控制單元和上述笫2電壓施加控制單元施加相反相位的 電壓，以預定的間隔切換電壓的正負。
13. 根據權利要求11所述的液體輸送裝置，其特征在于還具 有傳感器、溫度調節器、反應器中的至少任一個。
14. 一種化學分析方法，使用權利要求13所述的液體輸送裝置； 其特征在于改變液體的輸送路徑，對利用傳感器的檢測、利用溫度 調節器的溫度檢測、以及利用反應器的反應的程序進行控制。
全文摘要
本發明提供一種液體輸送裝置。關于沿二維方向輸送液體的基片，在同一基片上具有輸送所需要的電極，抑制用于控制電位的機構的數量。使用矩形電極(131)、第一軸電極列(1311～1322)、及液體輸送基片(13)，該矩形電極(131)由具有疏水性表面的電介質覆蓋，配置于基片平面上；該第一軸電極列(1311～1322)沿x方向連接矩形電極(131)；該液體輸送基片(13)具有沿y方向連接矩形電極(131)的第二軸電極列(1331～1342)。這樣，在同一基片上具有液滴的輸送所需要的電極，可抑制控制電位的機構的數量。
文檔編號G01N1/28GK101101302SQ200710085079
公開日2008年1月9日 申請日期2007年2月28日 優先權日2006年7月4日
發明者后藤康, 竹中啟 申請人:株式會社日立制作所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
